Canlılık ve Enerji: Elektron Taşıyıcılar, Kemiozmotik ATP Sentezi, Fosforilasyon Çeşitlerinin Karşılaştırılması ve Kemosentez (12.2.1.1)

Hücrede enerji açığa çıkaran tepkimelerin büyük çoğunluğu elektron alışverişine dayanır. Bir molekülün elektron kaybetmesine yükseltgenme (oksidasyon), elektron kazanmasına ise indirgenme (redüksiyon) denir. Biyolojik sistemlerde elektronlar çoğu zaman bir hidrojen iyonuyla (H⁺) birlikte, yani hidrojen atomu hâlinde taşınır; bu nedenle bir molekülden hidrojen koparılması da yükseltgenme olarak değerlendirilir. Bir molekül elektron vermeden diğeri elektron alamayacağı için yükseltgenme ve indirgenme her zaman birlikte gerçekleşir; bu tepkimelere kısaca redoks tepkimeleri denir. Glikozun solunumla yıkılmasında glikoz yükseltgenir, oksijen indirgenir ve elektronlar yüksek enerji düzeyinden düşük enerji düzeyine inerken enerji açığa çıkar.

Besinlerden koparılan elektronlar doğrudan oksijene verilmez; önce koenzim adı verilen taşıyıcı moleküllere aktarılır. Bu işi yapan enzimlere dehidrogenaz denir. En yaygın taşıyıcı, B3 vitamininden (niasin) türeyen NAD⁺ (nikotinamit adenin dinükleotit)dir: NAD⁺ + 2e⁻ + 2H⁺ → NADH + H⁺. İkinci önemli taşıyıcı, B2 vitamininden (riboflavin) türeyen FAD (flavin adenin dinükleotit)dir: FAD + 2e⁻ + 2H⁺ → FADH₂. NADH ve FADH₂, glikoliz ve Krebs döngüsünde toplanan elektronları mitokondrideki elektron taşıma sistemine taşıyarak oksidatif fosforilasyonun yakıtını oluşturur. Fotosentez yapan hücrelerde ise benzer yapıdaki NADP⁺ ışığa bağımlı tepkimelerde elektron alarak NADPH'ye dönüşür ve bu elektronlar organik madde sentezinde kullanılır.

Elektronların tek seferde oksijene aktarılması, yanma tepkimesinde olduğu gibi büyük miktarda enerjinin bir anda ısı ve ışık olarak kaybedilmesine yol açardı. Hücre bunun yerine elektronları elektron taşıma sistemi (ETS) adı verilen bir dizi taşıyıcı üzerinden basamak basamak indirir; her basamakta küçük bir enerji paketi açığa çıkar ve bu enerji ATP sentezinde kullanılabilir. Oksijenli solunumda zincirin sonundaki son elektron alıcısı oksijendir ve elektronları alan oksijen H⁺ ile birleşerek su oluşturur. Bazı bakteriler oksijen yerine nitrat ya da sülfat gibi inorganik molekülleri son elektron alıcısı olarak kullanır (oksijensiz solunum). Fermantasyonda ise ETS kullanılmaz; NADH elektronlarını pirüvata ya da onun bir türevine vererek yeniden NAD⁺'ya dönüşür, bu yüzden fermantasyonda ATP yalnızca substrat düzeyinde fosforilasyonla elde edilir.

Substrat düzeyinde fosforilasyonun nerelerde gerçekleştiğini somut tepkimelerle görelim. Glikolizin başlangıcında glikoz, iki ATP harcanarak fosforlanır ve tepkimeye hazır hâle getirilir; bu bir yatırım basamağıdır, ATP üretimi değil ATP tüketimidir. Glikoz daha sonra üç karbonlu iki moleküle ayrılır ve her biri iki ayrı basamakta ATP üretir: 1,3-bisfosfogliserat fosfatlarından birini ADP'ye vererek 3-fosfogliserata, fosfoenolpirüvat ise fosfatını ADP'ye vererek pirüvata dönüşür. Bu tepkimeleri kinaz enzimleri (fosfogliserat kinaz ve pirüvat kinaz) katalizler. Böylece bir glikozdan glikolizde 4 ATP üretilir, 2 ATP harcandığı için net kazanç 2 ATP olur. Krebs döngüsünde ise süksinil-KoA'nın süksinata dönüştüğü basamakta bir GTP (bazı hücrelerde doğrudan ATP) oluşur; GTP de fosfatını kolayca ADP'ye aktarır. Bir glikoz iki pirüvat verdiği için döngü iki kez döner ve buradan 2 ATP daha kazanılır.

Bir molekülün fosfatını ADP'ye aktarabilmesi için fosfat grubunun ATP'deki uç fosfattan daha kolay ayrılabilir olması, yani fosfat aktarım potansiyelinin daha yüksek olması gerekir. Bu potansiyel, molekülün standart koşullardaki hidroliz enerjisiyle karşılaştırılabilir: Fosfoenolpirüvatın hidroliziyle yaklaşık 14,8 kcal/mol, 1,3-bisfosfogliseratın hidroliziyle yaklaşık 11,8 kcal/mol, fosfokreatinin hidroliziyle yaklaşık 10,3 kcal/mol enerji açığa çıkar; bu değerler ATP'nin yaklaşık 7,3 kcal/mol'lük değerinden büyüktür. Bu nedenle bu moleküller ADP'yi fosforlayabilir. Glikoz-6-fosfat (yaklaşık 3,3 kcal/mol) gibi düşük potansiyelli moleküller ise ATP sentezleyemez; tersine ATP'den fosfat alarak oluşur. ATP'nin bu ara konumu, onu hem fosfat alabilen hem de verebilen ideal bir fosfat taşıyıcısı yapar.

Kas ve sinir hücreleri ani enerji gereksinimini karşılamak için fosfokreatin (kreatin fosfat) adı verilen yüksek enerjili bir molekül bulundurur. Dinlenme sırasında ATP fazlası, kreatin kinaz enzimiyle fosfatını kreatine aktarır ve fosfokreatin birikir. Kısa ve şiddetli bir efor başladığında tepkime ters yönde yürür: Fosfokreatin + ADP → Kreatin + ATP. Bu, substrat düzeyinde fosforilasyona benzeyen ve ETS ya da oksijen gerektirmeyen çok hızlı bir fosfat aktarımıdır. Fosfokreatin deposu yoğun bir eforun yalnızca ilk birkaç saniyesinden yaklaşık on saniyesine kadar yetecek ATP'yi sağlayabilir; 100 metre koşusu, halter kaldırma veya bir sıçrama gibi hareketlerde bu sistem öne çıkar. Depo tükendiğinde kas hücresi ATP'yi glikoliz ve oksijenli solunumla üretmeye yönelir.

Mitokondri iç zarında yer alan elektron taşıma sistemi, büyük protein komplekslerinden (I, II, III ve IV numaralı kompleksler) ve bunlar arasında elektron taşıyan küçük moleküllerden (ubikinon ve sitokrom c) oluşur. NADH elektronlarını zincirin başındaki kompleks I'e, FADH₂ ise daha alt bir basamaktaki kompleks II'ye verir. Elektronlar her geçişte elektron çekme gücü daha yüksek olan bir taşıyıcıya aktarılır ve enerjileri giderek azalır. Zincirin sonunda sitokrom oksidaz (kompleks IV), elektronları oksijene verir: ½O₂ + 2e⁻ + 2H⁺ → H₂O. Solunumda oluşan bu suya metabolik su da denir; çöl canlıları gibi bazı hayvanlar su gereksiniminin önemli bir kısmını bu yolla karşılar.

ETS'de açığa çıkan enerji doğrudan ATP'ye bağlanmaz. Kompleks I, III ve IV, elektron akışından aldıkları enerjiyle H⁺ iyonlarını matriksten zarlar arası boşluğa pompalar. İç zar H⁺ iyonlarını geçirmediği için zarlar arası boşlukta H⁺ birikir ve zarın iki yüzü arasında hem derişim hem de elektrik yükü farkı oluşur; bu enerji birikimine proton itici kuvvet denir. H⁺ iyonları matrikse geri dönebilmek için yalnızca ATP sentaz enziminin kanalını kullanabilir. Bu enzimin zar içindeki bölümü H⁺ akışıyla bir türbin gibi döner; matrikse bakan baş kısmı her dönüşte şekil değiştirerek ADP ile inorganik fosfatı birleştirir. H⁺ derişim farkı kullanılarak ATP sentezlenmesine kemiozmoz denir. Bu model 1961'de İngiliz biyokimyacı Peter Mitchell tarafından ileri sürülmüş ve Mitchell 1978'de Nobel Kimya Ödülü'nü almıştır.

Kemiozmoz modeli, NADH ve FADH₂'nin farklı miktarda ATP vermesini de açıklar. NADH'nin elektronları üç pompalayıcı kompleksten de geçtiği için daha çok H⁺ pompalanır; FADH₂'nin elektronları kompleks I'i atladığı için daha az H⁺ pompalanır. Pek çok kaynakta NADH başına 3 ATP, FADH₂ başına 2 ATP kuramsal değeri kullanılır; güncel ölçümler bu değerlerin yaklaşık 2,5 ve 1,5 olduğunu gösterir, çünkü H⁺ farkının bir kısmı başka taşıma işlerinde harcanır ve zar tam yalıtkan değildir. Aynı ilke prokaryotlarda da geçerlidir: Mitokondrisi olmayan aerobik bakterilerde ETS ve ATP sentaz hücre zarında bulunur, H⁺ hücre dışına pompalanır ve ATP sitoplazmada oluşur. Kloroplastta ise H⁺ tilakoit iç boşluğunda birikir ve ATP stromada sentezlenir.

Oksidatif fosforilasyon ile fotofosforilasyon ilk bakışta çok farklı süreçler gibi görünse de aynı çalışma ilkesine dayanır. Her ikisinde de bir zar üzerinde yerleşmiş elektron taşıma sistemi bulunur; elektronlar bu sistemde taşınırken açığa çıkan enerjiyle H⁺ iyonları zarın bir yüzüne pompalanır ve H⁺ iyonlarının ATP sentaz üzerinden geri akışıyla ATP sentezlenir. Yani ikisi de kemiozmotik süreçlerdir. Mitokondri ile kloroplastın benzer zar sistemlerine, kendi DNA'larına ve ribozomlarına sahip olması, bu iki organelin bakterilerden köken aldığını ileri süren endosimbiyoz kuramını da destekler. İki süreci birbirinden ayıran temel farklar; enerjinin kaynağı, elektronların nereden geldiği ve elektronların en sonunda hangi moleküle verildiğidir.

Oksidatif fosforilasyonda elektronların kaynağı besinlerdir: Glikoz, yağ asitleri ve amino asitlerin yıkımında toplanan elektronlar NADH ve FADH₂ ile ETS'ye taşınır ve oksijenli solunumda son elektron alıcısı oksijendir; ürün olarak su oluşur. Bu süreç ışıktan bağımsızdır, gece ve gündüz sürer ve oksijenli solunum yapan tüm canlılarda (bitkiler dâhil) görülür. Fotofosforilasyonda ise enerji kaynağı ışıktır. Klorofil molekülü ışığı soğurduğunda elektronları uyarılarak yüksek enerji düzeyine çıkar ve bu elektronlar tilakoit zarındaki ETS'ye aktarılır. Fotofosforilasyon yalnızca ışık varken ve fotosentetik pigment taşıyan zarlarda gerçekleşir.

Fotofosforilasyon kısaca iki biçimde görülür. Döngüsel olmayan (devirsiz) fotofosforilasyonda klorofilden ayrılan elektronlar geri dönmez; son elektron alıcısı NADP⁺ olur ve NADPH oluşur. Klorofilin kaybettiği elektronlar suyun ışık etkisiyle parçalanmasından (fotoliz) karşılanır ve bu sırada oksijen açığa çıkar. Döngüsel (devirli) fotofosforilasyonda ise elektronlar ETS'den geçtikten sonra yeniden klorofile döner; yalnızca ATP üretilir, NADPH ve oksijen oluşmaz. Bu iki yolun fotosentez içindeki ayrıntılı işleyişi gelecek haftalarda fotosentez konusunda ele alınacaktır. Şimdilik bilinmesi gereken, fotofosforilasyonla üretilen ATP'nin büyük ölçüde kloroplastın kendi içinde, organik madde sentezinde harcandığı; hücrenin diğer işlerinin ise ağırlıklı olarak solunumdan sağlanan ATP ile yürüdüğüdür.

Canlılar, ATP sentezi için kullandıkları enerjinin kaynağına göre iki büyük gruba ayrılabilir. Işık enerjisini kullananlara fototrof, kimyasal maddelerin yükseltgenmesinden enerji elde edenlere kemotrof denir. Kemotroflar da yükseltgedikleri maddeye göre ikiye ayrılır: Hayvanlar, mantarlar ve bakterilerin çoğu glikoz gibi organik besinleri yükseltger; bazı bakteri ve arkeler ise amonyak, nitrit, hidrojen sülfür, demir(II) iyonu ve hidrojen gazı gibi inorganik maddeleri yükseltger. İnorganik maddelerin yükseltgenmesinden kazanılan enerjiyle karbondioksitten organik madde üretilmesine kemosentez, bunu yapan canlılara da kemosentetik ototroflar denir.

Kemosentetik bakterilerde enerji dönüşümü iki aşamada düşünülebilir. Önce inorganik madde yükseltgenir ve koparılan elektronlar hücre zarındaki ETS'ye aktarılır; elektron akışıyla H⁺ iyonları zarın dışına pompalanır ve ATP sentaz yardımıyla ATP üretilir. Oksidatif fosforilasyona çok benzeyen bu yol bazı kaynaklarda kemofosforilasyon olarak adlandırılır. Ardından üretilen ATP ve indirgenmiş taşıyıcılar karbondioksitin organik maddeye dönüştürülmesinde kullanılır. Örneğin Nitrosomonas bakterileri amonyağı nitrite, Nitrobacter bakterileri nitriti nitrata yükseltger; kükürt bakterileri hidrojen sülfürü kükürde ya da sülfata, demir bakterileri ise demir(II) iyonunu demir(III) iyonuna yükseltger. Kemosentetik bakteriler ürettikleri organik maddeyi solunumda da kullanır; bu yüzden onlarda substrat düzeyinde fosforilasyon da görülür.

Kemosentez, ışığa bağlı olmayan bir organik madde üretim yolu olduğu için ekosistemler açısından büyük önem taşır. Işığın hiç ulaşmadığı okyanus tabanındaki hidrotermal bacaların çevresinde, hidrojen sülfür yükseltgeyen bakteriler besin zincirinin üreticisi konumundadır; dev tüp solucanları, midyeler ve yengeçler bu bakterilerin ürettiği organik maddeye dayanarak yaşar. Karada ise nitrifikasyon bakterileri, amonyağı bitkilerin kolayca kullanabildiği nitrata dönüştürerek azot döngüsünde ve toprak verimliliğinde kilit rol oynar. Bu örnekler canlılığın sürmesi için enerjinin farklı kaynaklardan sağlanabildiğini, ancak sonunda her durumda enerjinin ATP hâline getirilmesi gerektiğini gösterir.

Fosforilasyonun ne kadar yaşamsal olduğunu en açık biçimde, onu durduran maddelerin etkileri gösterir. Siyanür ve karbon monoksit, ETS'nin son elemanı olan sitokrom oksidaza bağlanarak elektronların oksijene aktarılmasını engeller. Elektron akışı durunca H⁺ pompalanamaz, H⁺ derişim farkı kaybolur ve ATP sentaz çalışamaz; hücre oksijen bulunsa bile onu kullanamaz. Karbon monoksit ayrıca hemoglobine oksijenden çok daha güçlü bağlanarak dokulara oksijen taşınmasını da azaltır. Bu durumda hücreler ATP'yi yalnızca glikoliz ve laktik asit fermantasyonuyla, yani substrat düzeyinde fosforilasyonla üretmeye çalışır; ancak bu miktar başta beyin ve kalp kası olmak üzere enerji ihtiyacı yüksek dokular için yetersizdir. Laboratuvar araştırmalarında kullanılan oligomisin adlı antibiyotik ise ATP sentazın H⁺ kanalını tıkar; H⁺ birikir, ETS yavaşlar ve ATP sentezi durur.

Bazı maddeler ise ETS'yi durdurmadan ATP sentezini ondan ayırır; bunlara ayırıcılar denir. Ayırıcılar iç zarı H⁺ iyonlarına geçirgen hâle getirir; H⁺ iyonları ATP sentazdan geçmeden matrikse döner. Bu durumda elektron taşınması ve oksijen tüketimi hızlanır, ancak ATP üretimi azalır ve H⁺ farkında depolanan enerji ısı olarak açığa çıkar. 2,4-dinitrofenol adlı madde 20. yüzyılın başlarında zayıflama ilacı olarak kullanılmış, fakat vücut ısısını tehlikeli düzeyde yükselttiği ve ölümlere yol açtığı için yasaklanmıştır. Aynı ilke vücutta doğal ve yararlı bir amaçla da kullanılır: Yeni doğan bebeklerin ve kış uykusuna yatan memelilerin kahverengi yağ dokusundaki mitokondrilerde bulunan termogenin adlı protein, H⁺ iyonlarının zardan geçmesine izin vererek titreme olmadan ısı üretir. Bitkilerde ise bazı herbisitler kloroplastlardaki elektron taşınmasını engelleyerek fotofosforilasyonu durdurur ve bitkinin ölümüne yol açar.

Fosforilasyon çeşitleri hücrede birbirinden bağımsız değil, birbirini tamamlayan bir bütün olarak çalışır. Bunu bir sporcunun kas hücresinde izleyebiliriz: Efora başlandığı ilk saniyelerde hücredeki hazır ATP ve fosfokreatin kullanılır; ardından birkaç dakikalık yoğun eforda glikoliz ve laktik asit fermantasyonu ile substrat düzeyinde ATP üretimi hızlanır; uzun süreli ve orta şiddetli eforda ise ATP'nin büyük kısmı mitokondrilerde oksidatif fosforilasyonla sağlanır. Bir bitki ise gündüz fotofosforilasyonla ışık enerjisini yakalar, bu enerjiyi organik maddeye dönüştürür ve gece-gündüz solunumla bu organik maddeden yeniden ATP üretir. Hangi yol olursa olsun, ATP üretimi durduğunda hücrenin düzeni bozulur; canlılığın devamı için enerjinin gerekliliği, bu kesintisiz fosforilasyon ağının bir sonucudur.